[김준성 교수 연구실]Large anomalous Hall current induced by topological nodal …

(왼쪽) Fe3GeTe2 가 갖는 선형  위상전자 구조 모식도 (오른쪽) 기존 강자성체 대비 Fe3GeTe2 의 높은 이상홀 효과
(left) Schematic electronic structure of Fe3GeTe2 showing a topological line node. (right) Large anomalous Hall effect of Fe3GeTe2 as compared to other itinerant ferromagnets.

포스텍(포항공대) 김준성 교수 연구팀이 강자성과 위상특성을 동시에 보이는 반데르발스 물질을 구현했다.

물리학과 김준성 교수 연구팀의 서준호 학생과 포스텍 막스플랑크 연구소 김규 박사와 서울대 물리학과 양범정 교수팀은 물리학과 민병일 교수, 염한웅 교수  연구팀과의 공동연구로 Fe3GeTe2 라는 철기반 강자성 반데르발스 물질에서 관측한 높은 이상홀 효과가 위상전자구조에 기인한다는 점을 최초로 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 Nature Materials최신호 (2018. 8)에 게재됐다. 이번 연구를 통해 2차원 반데르발스 구조를 갖는 위상 자성체 연구에 새로운 전기가 마련될 것으로  기대된다. 위상물질은 그 성질을 결정하는 전자구조에 위상학적인 특이성이 있는 물질이다. 뫼비우스 띠를 아무리 변형시켜도 찢지 않으면 정상적인 띠로 만들 수 없는 것처럼, 위상물질에 나타나는 꼬여진 전자구조 역시, 물질의 화학 구조가 크게 바뀌지 않는 한 계속 보존이 된다. 이처럼 위상물질의 위상학적 안정성을 이용하면, 외부 잡음에 월등히 강하고 정보 손실 없는 새로운 양자 소자를 구현할 수 있을 것으로 여겨진다.
기존의 위상물질은 그래핀이나 위상부도체처럼 자성을 띠지 않는 물질이 대부분이었다. 이번에 발견된 위상 강자성체(topological ferromagnet)에서는 전도 전자의 스핀의 방향이 대부분 하나로 정해져 양자역학적인 자기장에 의한 효과가 강하게 나타나게 된다. 즉, 이 물질에 흐르는 전류는 외부의 자기장이 없더라도 강하게 휘어지면서 경계부분에 스핀이 정렬된 전하가 쌓이게 되고 그 양이 보통 자성체에 비해 훨씬 많게 된다. 이처럼 위상학적 특이점 근처의 베리 곡률효과로 인해 이상홀 효과가 강하게 나타나는 자성 소재를 이용하면 차세대 고감도 자성 센서나 스핀 정보소자 개발로 이어질 가능성이 있다.
이번 연구를 통해 위상특성과 자성특성간의 상관관계를 이해함으로써 향후 위상자성체 분야 연구의 새로운 방향을 제시하고 새로운 물질 디자인과 합성연구의 기반이 마련되었다고 할 수 있다. 또한 이번에 발견된 물질은 반데르발스 구조를 가지고 있어, 흑연으로부터 그래핀을 얻어내는 것처럼, 손쉽게 2차원 강자성체로 변환이 될 수 있다. 최근 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 2차원 반도체 물질등과도 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 향후 2차원 물질에 기반을 둔 차세대 스핀소자 개발의 활성화도 기대된다.
연구를 주도한 김준성 교수는 “이번 연구 성과는 앞으로 2차원 물질의 위상 특성을 이용한 스핀트로닉스 연구에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.

Topological semimetals host electronic structures with several band contact points or lines and are generally expected to exhibit strong topological responses. Up to now, most work has been limited to non-magnetic materials and the interplay between topology and magnetism in this class of quantum materials has been largely unexplored. Here we utilize theoretical calculations, magnetotransport and angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES) to propose Fe3GeTe2, a van der Waals (vdW) material, as a candidate ferromagnetic (FM) nodal line semimetal. We find that the spin degree of freedom is fully quenched by the large FM polarization while the line degeneracy is protected by crystalline symmetries connecting two orbitals in adjacent layers. This orbital-driven nodal line is tunable by spin orientation due to spin-orbit coupling (SOC) and produces a large Berry curvature, leading to a large anomalous Hall current, angle and factor. These results demonstrate that FM topological semimetals hold significant potential for spin and orbital-dependent electronic functionalities.